Luzes e auroras

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As auroras certamente estão entre as aparições mais espetaculares que a natureza tem para oferecer e elas tem capturado a fantasia e a criatividade da humanidade destes os tempos mais antigos. Apesar disso, em um busca fácil na internet, os textos explicativos em português são vagos e limitados, quando não, são guias para turismo em países onde as auroras acontecem.  Além disso, eventualmente caímos em armadilhas que o fenômeno auroral é mais simples do que ele de fato é, simplesmente atribuindo com uma consequência do vento solar. O texto a seguir, faz um apanhado histórico e dá complexidade física do fenômeno,  complementando o vídeo abaixo [ative as legendas].

Um pouco de história

As auroras já apareciam nos escritos babilônicos de 2500 anos atrás [1] e em registros da china antiga 180 anos antes de cristo [2]. Na Grécia antiga, talvez a única menção ao fenômeno pode ser encontrada no tratado meteorologia de Aristóteles ou  mesmo no velho testamentos há menções ao fenômeno.

Dependendo da intensidade e aparência, o show de luzes coloridas que surgem nos céus próximo aos polos, foram muitas vezes interpretados como sinais de um presságio divino para muitas dessas civilizações. Para os Inuit, por exemplo, as luzes polares eram espíritos ou almas de seus antepassados com os quais eles se conectavam. Embora essas luzes polares estejam presentes em diversas culturas, o objeto de estudo talvez seja o mais antigo da geofísica espacial ou mesmo de um fenômeno que ocorre na alta atmosfera observável. Desta forma despertou o interesse ao longo dos séculos de grandes nomes da ciência entre os séculos XVI e XX, ainda que seja só na última parte do século XX que qualquer explicação  mais precisa tornou-se possível.

As primeiras explicações eram fantasiosas, além de carregadas de relatos e interpretações místicas ou profética dos tempos gregos. O próprio termo aurora boreal parece ter sido cunhado por Galileu em algum momento antes de 1621[3]. Alguns outros notáveis da ciência tentaram explicar o fenômeno.

Para Edmund Halley, o mesmo que previu o reaparecimento do que hoje é conhecido como cometa halley, sugeriu que as auroras eram vapores aquosos de origem subterrânea carregavam partículas de enxofre o suficiente para produzir a aparência luminosa. Em 1746, o grande matemático suíço Leornad Euler sugeriu que as auroras eram partículas da própria atmosfera terrestre que se deslocavam além dos seus limites pelo impulso da luz solar e subindo em alturas de vários quilômetros [4].

Benjamim Franklin, que era um cientista bastante respeitado em seu tempo, pensava que as auroras estavam relacionadas com os padrões de circulação da atmosfera [5]. Para Franklin, as regiões atmosféricas polares eram mais pesadas e mais baixas que a região equatorial devido a menor força centrífuga e, portanto, a interface vácuo-atmosfera deveria ser menor nas regiões polares. Ela ainda argumentou que a eletricidade trazida para a região polar por nuvens não seria capaz de penetrar a baixa atmosfera pois ela seria mais visível em altas latitudes, onde é densa e muito menos visível em latitudes mais baixas, onde diverge. Franklin afirmou que tal efeito “daria todas as aparências de uma Aurora Boreal”[3,5].

Embora as primeiras hipóteses aurorais não tenham ido muito bem, várias outras propostas para explicar o fenômeno foram desenvolvidas nos últimos 150 anos e muitas elas estavam involuntariamente perto do que de fato acontece: luz solar refletida da neve polar e gelo (errado), ‘‘fluidos elásticos’’ (vago), descargas eléctricas (plausível). As observações feitas durante a segunda metade do século XVIII e ao longo do século XIX elucidaram muitas características aurorais importantes.

Em 1790, o cientista inglês Henry Cavendish usou a triangulação e estimou a altura da aurora entre 83 e 114 km aproximadamente[6]. Em 1852, a relação entre distúrbios geomagnéticos, sinais aurorais e manchas solares foi claramente estabelecida [7,6]; Em 1860, Elias Loomis desenhou o primeiro diagrama da região onde as auroras eram mais frequentemente. Notou semelhanças dessa região com a declinação magnética da região polar, estabelecendo assim uma relação com o campo geomagnético. Em 1867, o físico sueco Angstron fez as primeiras medições do espectro eletromagnético auroral [9].

Nenhuma descoberta significativa foi alcançada até o final do século XIX, quando os raios catódicos foram descobertos e identificados como elétrons pelo físico britânico J.J Thomsom. Mais tarde, o físico norueguês Kristian Birkeland propôs que a aurora fosse causada devido ao fluxo de elétrons emitidos pelo sol. Aqueles elétrons que atingem a terra seriam afetados pelo campo magnético da terra e guiados para as regiões de alta latitude para criar as auroras[10].

Somente no início da década de 1950 foi provado que a causa imediata das emissões aurorais é a excitação do gás atmosférico por partículas energéticas e somente em 1958, quando levantamentos com foguetes foram feitos, que os elétrons energéticos foram identificados como fonte primária. Mais uma compreensão detalhada dessas fontes ainda teve que esperar pelo entendimento da forma e da física da magnetosfera. De fato, o conhecimento super detalhado dessa região é obtido por satélites e muito da física e do entendimento desses fenômenos carecem de refinamentos.

Ao contrário de muitos dos relatos popularizados do fenômeno, as luzes não são produzidas por partículas do vento solar. As partículas do vento solar não têm acesso direto a região oval polar e nem possuem energia  para gerar as auroras. Observamos que a região noturna do oval polar está conectado magneticamente com uma região da magnetosfera conhecida como cauda magnética. Em determinadas circunstâncias onde as linhas de campo magnético são perturbadas, processos de reconexão magnética são facilitados e permitem que as partículas sejam guiadas até as regiões polares da Terra. O vídeo abaixo apresenta de forma ilustrativa esse processo.

 Neste ponto podemos então definir um pouco melhor as auroras que compreendem de um conjunto de fenômenos na alta atmosfera, não apenas da emissão de luz visível, mas emissão de radiação em bandas não visíveis. Cada uma delas é consequência direta ou indireta da entrada de partículas da magnetosfera na atmosfera. De forma geral, os fenômenos aurorais são bem correlacionados com a atividade solar, embora sem associação específica com a natureza do evento solar[11]. A forma no qual essas emissões ocorrem podem ser extremamente diversa e variável. A figura abaixo apresenta algumas características gerais das auroras.

Localização e tamanho

As auroras são fenômenos predominantemente de altas Latitudes, se distribuindo numa região em formato oval entre 67 e 78 graus de latitude magnética sobre condições calmas de atividade solar e alongando-se duranta atividades intensas. As imagens de satélite noturnas mostram rotineiramente esses ovais como halos de luz que cortam a parte superior e inferior do globo (figura abaixo). Ainda sobre os ovais aurorais, a figura à esquerda apresenta o oval estatístico que é usado para estimar a probabilidade de ver as auroras pelo Space Wheater prediction center.

As auroras atingem sua maior extensão na direção zonal(paralelas as latitudes), às vezes se espalhando por centenas ou mesmo milhares de quilômetros. Sua largura meridional(longitude) é comparativamente modesta, o que equivale a apenas alguns metros para as bandas radiadas. Já a dimensão vertical das auroras depende do tipo de emissão, elas podem cobrir de algumas dezenas e centenas de quilômetros. Em auroras com grande extensão vertical, consegue-se notar mais claramente o alinhamento da luminosidade com campo magnético da Terra. A observação desse fenômeno de baixo, na superfície da terra, cria uma perspectiva onde as linhas de luz tendem a se juntar em um ponto distante, como na figura abaixo o qual chamamos de corona auroral.

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Coroa auroral. Créditos da imagem Harald Albrigtsen

As luzes polares também apresentam características bem peculiares quanto sua forma. Podemos apresentar em elas em dois grandes grupos. As discretas, que são aparições mais espacialmente confinadas e com formato mais ou menos reconhecível, como os arcos aurorais ou mesmos as faixas que parecem cortinas dobradas O outro tipo de auroras chamamos de difusas, e como o nome indica, tem características luminosas sem estruturas definidas (figura abaixo)

As cores das auroras

Uma das coisas que chamam mais a atenção nas auroras são as cores. As vezes verdes, as vezes violetas ou vermelhas. Diferentemente da luz solar que possuem um espectro contínuo de emissão, as cores das luzes polares são determinadas apenas por algumas linhas de emissão. O oxigênio atômico, por exemplo, é responsável por duas cores, o verde-amarelado em 557,7 nm e pelo vermelho em 630 e 636.4 nm. Outro componente importante para colorizar o céu é o Nitrogênio que em sua forma molecular iônica dá tons azul-violeta enquanto a forma molecular neutra emite tons vermelhos. A figura abaixo ilustra as bandas de emissão. Assim como em uma paleta de pintura, que podemos combinar os tons de tinta, os céus também sofrem essa variação de acordo com a intensidade e combinação de emissões.

O oxigênio atômico é responsável por duas cores como dito anteriormente. Cada uma dessas emissões depende de um conjunto de reações químicas

O oxigênio atômico, como mostrado na figura abaixo, é responsável pela emissão de duas cores. A emissão na cor verde(557.7 nm) ocorre majoritariamente em 160 e 100 km de altitude e deve-se a recombinação dissociativa do O2+. já a cor vermelha (630.0 nm) tem um pico de emissão de luz em aproximadamente 170 km e é devido a recombinação iônica do O2[13].

Além da luz visível, os constituintes atmosféricos também produzem emissões infravermelhas, ultravioletas e de raios-X. Por exemplo, oxigênio atômico possui linhas de emissão na região do UV, em 130,4 e 135,6 nm, porém estas só podem ser observada com detectores no espaço, uma vez que estas radiações são absorvidas na estratosfera.

A unidade para medir o que chamamos de luzes do céu, como as auroras, é o Rayleigh(R), que é uma medida da taxa de emissão de fótons. Porém fica a pergunta: Quanto é 1 Rayleigh? 1 R é equivalente ao fluxo de 1010  fótons por segundo ou 1010/m2 s. Para ter uma ideia mais palpável deste número 1 kR corresponde a ausência de brilho da via láctea, 100 kR é a luminosidade média das nuvens cumulus durante lua cheia. O céu noturno tem uma intensidade entre 250 R enquanto que as auroras podem atingir valores até 1000 R.

A dinâmica das auroras é dependente do grau de perturbação que elas sofrem. Assim, em condições normais ou calmas, as auroras possuem pouca luminosidade. Em contrapartida, durante atividades solares e devido a pertubações na magnetosfera, as auroras apresentam intenso brilho e uma variabilidade de cores e formas além delas.

A ocorrência das luzes polares, como já deve está um pouco mais evidente aqui, é essencialmente restrita em estruturas ovaladas no polos norte e sul. Durante circunstâncias muito ativas as auroras podem se estender até latitudes médias. Por exemplo, numerosas publicações descreveram a espetacular atividade auroral observada na Europa, nos EUA e no Japão durante as grandes tempestades geomagnéticas de março e outubro de 1989, em abril e julho de 2000 e em outubro / novembro de 2003. É importante perceber que as luzes polares são frequentemente fenômenos conjugados, pelos quais formas semelhantes são observadas em ambos os polos.

Dissipação de Energia de Partículas

Hoje sabemos que as auroras são causas pela incidência de partículas com energia entre 100 e 1000 eV e a física básica dos processos que acontecem na alta atmosfera é semelhante ao que acontecia nas antigas TV de tubo. Elétrons acelerados incidem em um absorvente( no caso a tela) e estimular a emitir luz. Na auroras, a atmosfera é um meio muito mais tênue do que uma tela de TV e consequentemente os elétrons são desacelerados mais lentamente por uma série de colisões(elásticas e inelásticas) com os constituintes atmosféricos.

Assim, a energia das partículas incidentes é gradualmente transferida para a atmosfera através das colisões. A região de depósito resultante da energia das colisões é esboçado na figura A abaixo. ФeE , nn, qE indicam o fluxo de energia dos elétrons, a densidade de partículas neutras e a taxa de deposição de energia por unidade de volume, respetivamente. Observamos que a taxa máxima do depósito de energia dos elétrons (linha verde) ocorre na altura onde fluxo de energia(linha laranja) ainda é grande o suficiente para os constituintes neutros da atmosfera( linha azul) absorver de forma efetiva. Na figura B temos o perfil normalizado para diferentes energias de elétron incidentes em várias linhas de emissão.

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A) Perfil de deposição de energia na atmosfera superior resultante da precipitação de elétrons aurorais. B) Perfil em altura normalizado para várias linhas de emissão e energias dos elétrons  incidentes (adaptado por prolss de bank et al,1974)

Apesar da grande número de partículas que chegam na atmosfera, apenas uma parte muito pequena ( ~ 1%) da energia fornecida pelos elétrons é convertida em radiação. A maior parte, cerca de 50%, é usada para aquecer, outra parte, aproximadamente 30% é convertida em energia química potencial enquanto outra parte remanescente retorna a magnetosfera. 

A redistribuição da energia é complexa e caracterizada por inúmeros processos secundários, como dissociações, recombinações e colisões. Obviamente, a quantidade de processos para analisar só é possível com um modelo físico e químico que levem em conta todas as cadeias de reações químicas. Similarmente a Terra, registro de auroras em outros planetas foram registradas cada uma com características morfológicas distintas, inclusive existindo em Vênus e Marte mesmo sem a presença de um campo magnético natural para guiar as partículas, mas essa história fica para um texto futuro.
Até o próximo texto!

 

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Leituras e referências

[1] Stephenson, F. R., Willis, D. M., & Hallinan, T. J. Aurorae: The earliest datable observation of the aurora borealis. Astronomy & Geophysics, Volume 45, Issue 6, pp. 6.15-6.17.

[2] Yau, K. K. C.; Stephenson, F. R.; Willis, D. M.A Catalogue of auroral observations from China, Korea and Japan (193 B.C. – A.D. 1770).Volume 95,Edição 73 de Technical report (Council for the Central Laboratory of the Research Councils)

[3] Eather, R. H., Majestic Lights, American Geophysical Union,Washington, DC, 1980.

[4] Euler, L., Recherches physiques sur la cause des queues cometes de la lumiere boreale et de la lumiere zodiacale, Hist. Acad. Roy. Sci. Belles Lett. Berlin 2, 117, 1746.

[5] Franklin, B., Political, Miscellaneous and Philosophical Pieces, ed. by B. Vaughan,London: J. Johnson, 504, 1779.

[6] Cavendish, H., On the height of the luminous arch which was seen on February 23, 1784,Phil. Trans. Roy. Soc., 80, 101, 1790.

[7] Sabine E., On periodical laws discoverable in the mean effects of the larger magnetic disturbances, Phil. Trans. Roy. Soc., 142, 103, 1852.

[8] Wolf, R., Acad. Sci., 35, 364, 1852.

[9] Angstrom, A., Spectrum des Nordlichts, Ann. Phys., 137, 161, 1869.

[10] Shunk,R e Nagy, A. Ionospheres, Physics,plasma physics and chemistry, 2009

[11] Hargreaves, J.K; The solar Terrestrial environment. Cambridge University Press. 1995.

[12] Prölss, G. W; Physics of the Earth’s Space Environment: An Introduction. Springer Berlin Heidelberg. 2004

[13] Kirchhoff, V. W; Introdução À Geofísica Espacial. Edusp. 1991

Vídeo Tedx:  What is an aurora? – Michael Molina [http://bit.ly/2uCLUMP]